老水，新见解：研究人员在森林实验室实验中研究“老水悖论”

Marius Floriancic沿着一条狭窄、人迹罕至的小路飞快地奔跑，越来越深入森林。这是四月底一个凉爽潮湿的星期四早晨；前一天晚上下雨了，水偶尔还会从树梢上滴落。

几分钟后，小路通向一片空地，空地上长满了几棵高耸的山毛榉和云杉。然而，这里吸引眼球的不是树木，而是绑在树干上或安装在森林地板上的电子设备和技术。彩色电缆覆盖在树枝上，将传感器连接到藏在防水箱中的可充电电池。

“这是我们在‘Waldlabour’进行水文实验的核心，”这位目光敏锐的研究人员解释道，他无法掩饰自己对过去五年与团队共同建立的科学游乐场的喜悦。

“从我在Hönggerberg校区的办公室，我可以在大约五分钟内到达这里，”联邦理工学院环境工程研究所的高级研究助理Floriancic说，该研究所是土木、环境和地球物理工程系的一部分。

本科生和研究生都可以随时进入森林进行测量或进行新的实验。“世界上没有其他地方像这样。在其他任何地方，你都需要在大学和森林实验基地之间旅行几个小时。”

从这个意义上说，“Waldlabor”也是天赐之物，可以在ETH进行尽可能多的实践教育，这是即将上任的水文学和河流系统科学教授Paola Passalacqua未来将进一步加强的。

研究人员在一棵山毛榉树旁的土壤中发现了几个“吸盘”。“我们实验室最引以为豪的是用它进行的一系列测量。”利用负压，杯子从10、20、40和80厘米的深度抽水。同时，使用所谓的“自由流动取样器”从不同的土壤深度采集流水样本。在过去的五年里，每周都会对这些土壤水样进行稳定同位素分析，让研究人员了解其年龄、来源和所涉及的水文过程。结果表明，水具有明显的“指纹”。

这些数据为水文学家所知的“老水悖论”理论提供了实质内容：土壤样本主要含有“老水”，这些水已经储存了数月或数年，只有极少量的“新水”来自最近的降水。

2020年4月至2023年4月期间采集的一系列样本测量结果表明：即使在10厘米的土壤深度，也只有三分之一的蓄水量小于三周。Floriancic说：“森林中的土壤水文长期以来一直是一个黑匣子。”。“因此，像这样的一系列测量对整个研究界都很重要。”过去五年的所有数据都将公布并免费提供给研究人员。

Holderbach溪流在空地下方约200米处流动，配备有所有的蒸渗仪、气象站以及土壤和压力传感器。Floriancic的团队在岸边安装了一个自动取样器，每六小时收集一次水样。同样，在这里，对样品进行稳定同位素分析。

这位环境工程师解释说：“我们也可以在这里观察到古老的水悖论。”。即使在一场大雷雨之后，Holderbach溪中的大部分水的年龄也超过了一个月。在一年的时间里，只有14%的径流小于一个月。其余的来自土壤，那里的水已经储存了至少一个月。

Floriancic与维也纳自然资源与生命科学大学（BOKU）的同事合作，研究了从32个阿尔卑斯集水区收集的水样。结果：阿尔卑斯山脉河流中平均93%的径流水的年龄超过一个月。只有少量来自最近的降雨和融雪。

Floriancic解释说：“当土壤中的孔隙充满了旧水时，新水会迅速向下渗透，并通过蠕虫或根系造成的孔洞进入地下水。”。这些知识可以改善防洪规划。

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Floriancic向我们展示了一个螺旋形的斜槽，用黑色胶带固定在山毛榉树干上。最后，一根软管连接到一个透明的塑料容器上。“这里的很多东西都是非常‘DIY’的，因为这种研究通常没有标准的测量设备。”

这种装置收集从树梢、树干流到地面的水。结果表明：冬季土壤水分补给明显高于夏季，因为蒸发损失较低，森林冠层覆盖不足。

森林地面主要在冬季供水，特别是在10至80厘米的深度。尽管平均而言，60%的降雨发生在夏季。低降水量的冬季对树木来说尤其麻烦，因为地面无法储存足够的水来应对炎热的夏季。

然而，在森林水文方面，重要的不仅仅是森林冠层，枯枝落叶层也很重要。虽然它在很大程度上有助于在森林中创造潮湿的小气候，但根据其状况，它也会导致更少的水进入土壤。

为了证明这一效应，研究人员用金属框架包围了几块方形土壤，并为每块土壤安装了一个地下传感器。一些方块上覆盖着几厘米的有机物质，如叶子、针叶和球果。在其他情况下，土壤没有覆盖。

“水文学家长期以来一直认为，大约3%到4%的降水保留在枯落物层中，因此这一层在很大程度上可以忽略不计，”Floriancic解释道。然而，他的测量描绘了一幅不同的画面：大约18%的降水储存在垃圾层和枯木中。

因此，当占被树梢叶子捕获后蒸发到大气中的降水量的约20%时，每1000毫升中只有600毫升真正到达土壤。“这意味着森林地面比我们长期以来认为的要干燥得多。”

Floriancic的团队在几棵树干上安装了树液流量传感器，以便更好地了解树木如何吸收和运输水。他们将两个相互连接的传感器插入树干中，以测量温度梯度，然后可用于计算树干中的水流。

同时，树木测量仪持续测量树木的周长，并记录其因吸水而膨胀或因蒸腾而收缩的时间。森林里甚至有一种实验室通风柜，用于额外的测试。

隐藏在一棵树上的密封灰色盒子里的是一个“Scholander压力炸弹”——一个连接到氧气瓶的重型测量设备。研究人员利用这一点来确定叶片水势，从而得出树木干旱胁迫的结论。

“山毛榉和云杉的性格非常不同，”Floriancic说。

山毛榉非常浪费水，它们的叶子上的气孔会更长时间地开放进行光合作用。而云杉在干旱胁迫下会提前关闭气孔以节约用水。但是，结果，它们会自动减少光合作用。然而，这对树木的生长和活力至关重要。

Floriancic指着一棵高大的云杉树前从地上伸出的四个黄色圆柱体。他蹲下，掀开其中一个盖子。一家专业公司极其小心地发现了它的根。它配备了树液流量传感器和树木测量仪。收集的数据应有助于更好地了解根系的水分动态。

今年1月，Floriancic的一名博士生Stefano Martinetti发表了这些测量的第一个发现：随着土壤变得干燥，树木通过靠近地表的根系吸收的水分减少，反而激活了更深的根系。更重要的是，水同位素中再次出现了古老的水悖论的证据。

Floriancic说：“即使在非常潮湿多雨的夏天，我们也主要在根部和枝条中发现古老的冬季水。”。夏季的水主要从地表蒸发，被根浅得多的草和灌木吸收。

Floriancic表示，公众对这项当地研究非常感兴趣。他不仅经常带领学生参观森林，还经常带领林务人员。“尽管我们基本上是在这里进行基础研究。”

考虑到气候危机的影响，林务人员通常会问的第一个问题是，哪些树木在未来最能生存。对此，Floriancic回答说，这项研究尚未提供明确的答案；关于不同树种的未来前景，研究结果仍然有限。

然而，他已经可以分享过去五年研究中获得的实践经验中的一些相关发现：“土壤质量和结构是储水的关键。土壤中的有机物越多，其储水能力就越高。”

从这个意义上说，森林中尽可能多的枯木不仅对生物多样性很重要，而且对水资源预算也很重要。正如一位学生有条不紊的测量所示，这保留了大量的水分。

此外，将各种树种组合在一起有利于水分平衡，因为它们的根系在不同深度到达土壤水分，这意味着它们之间的竞争较小。换言之：更多样化的森林是更具气候适应性的森林。这一次，这不是一个悖论，而是高水平生物多样性的明显额外好处。

该研究发表在《水文学与地球系统科学》和《树木生理学》上。p